城市轨道交通列车噪声预测模型研究

摘　要　以已建立的城市轨道 交通 噪声预测模型为基础,提出改进的噪声预测模型。明确了各预测参数,采用对数回归关系确定了各 影响 因子与等效声级的关系。运用预测模型对长春轻轨噪声进行了预测。通过与实测结果进行比较,预测值与实际结果的误差<1db(a),表明所提出的预测模型可精确反映长春轻轨的噪声级。

关键词　城市轨道交通,噪声预测模型

　　消除噪声对环境产生的影响,已成为当前交通运输工程中紧迫的任务之一。本文提出了城市轨道交通噪声的预测模型。该模型适用于轮轨式轨道交通的地面线路和高架线路,包括地铁、城市铁路、轻轨和有轨电车,但不包括磁浮线路。
1 噪声的评价指标
为反映轨道交通噪声对环境的影响程度,需要有一个对噪声的评价指标。以下就常用的评价指标做简略介绍。
1.1 a声级(l)
用响度来反映人耳对声音的主观感觉太复杂,于是在等响曲线中选了3条曲线,响度分别是40phon,70phon和100phon。按照这3条曲线的形状,设计出a、b、c3条计权 网络 ,作为噪声测量仪器———声级计的组成部分,直接读出a声级、b声级、c声级。实际表明,不论声音强度是高还是低,a声级都可以较好地反映人耳对噪声的主观感觉,因为它对人耳不敏感的低频声衰减多些,而中频衰减少些,高频不衰减甚至有些放大。此外,在所有的评价 方法 中,a声级同人耳的损伤程度也能对应得很好:a声级越高,损伤愈严重。因此用a声级可对声音大小进行测量、评价。
1.2 暴露声级(sel)
“暴露”代表单一列车通过时段内某一定点接收到的声能量总和,通常简记为“sel”。暴露声级的数学表达式如下:

式中:pa(t)为某时刻该噪声源在定点产生的瞬时a计权声压;pref为 参考 声压,pref=20μpa;la(t)为t时刻在定点测得的a计权声级。在有效时间t1-t2内测点接收到的噪声能量可代表整个噪声过程在该点产生的能量。
1.3 等效连续a声级(leq)
等效连续a声级是指随时间变化的噪声级在测量时间t内与其能量相等的连续稳定噪声级,其定义为:

式中:leq为等效连续a声级,db(a);t为等效声级的 计算 时间;其余变量同上。
在轨道交通噪声预测中,等效声级是指相同的运行条件下,同类型列车在某测点的等效声级leq,常按下式进行计算:
leq=lsel+10lgn-10lgt(4)
式中:n为时间t内通过的列车数量;lsel为单一列车的暴露声级。
可通过现场直接测量和模型计算两种方法确定列车的leq。直接测量给出了既有线路噪声状况的精确数据,但在需要预测线路噪声(如设计新线路)时,该方法是行不通的。此时可模拟线路投入使用的情形,这就要求建立预测噪声级的数学模型。本文在 研究 国外成果的基础上,借鉴近来相关技术的最新 发展 ,提出更加准确反映噪声级与影响因素之间关系的改进模型,以更加精确地反映城市轨道交通列车运行噪声级。
2 城市轨道交通噪声预测模型
预测模型的精确性取决于以下方面:噪声影响因子(或影响噪声级结果的物理参数)、影响因子的数量及量化它们对噪声影响时的精确程度。本文阐述的计算模型包括距离衰减、空气衰减、地形和声屏障衰减,以及列车流量、列车速度、列车编组、钢轨打磨及不平顺、机车和轨道使用时间等影响因子。对于轨道上运行的列车,其噪声级计算公式为[1]:

式中:l′aeq指参考点处的1h等效连续声级,参考点距轨道中心线7.5m,距轨面高1.5m;δlak是考虑地面反射、吸收引起的衰减,绿化林带衰减,有低密度建筑物地区的衰减,屏障与地形衰减,相毗邻的建筑区衰减,声音沿轨道全长传播时的衰减等因素的噪声级修正量。
某些特殊情形下必须考虑修正量,见表1。

3 列车噪声级的预测
预测计算中主要考虑车辆运行噪声。该声源可视为有限长运动线声源。l′aeq可按下式计算:

式中:m为每小时列车流量;p为常数,通过类比并参考欧洲电车噪声预测方法中的取值,取p=1.24;n为噪声影响因子数目;fi为噪声影响因子,其中f1为列车速度因子,f2为轨道坡度因子,f3为钢轨不平顺因子,f′3为钢轨打磨因子,f4为列车使用时间因子,f5为轨道使用时间因子,f6为列车编组状况因子。

4 噪声 影响 因子 分析
1)l′aeq与列车流量的关系
l′aeq,m=10lgm1.24 (7)
式中:m为每小时经过轨道断面的列车数量,m∈[1,70]。
2)l′aeq与速度的关系
列车速度与钢轨类型有关。这一因子与噪声级的关系为:
l′aeq,v=10lgf1=10lgvx (8)
式中:v为列车速度,v∈[1,80];x为指数,通过查表确定。

　　3)l′aeq与轨道坡度的关系
l′aeq,s=10lgf2=10lg100.001s=0.01s (9)
式中:s为轨道的纵向坡度,取0~60‰。
4)l′aeq与轨道不平顺及钢轨打磨的关系钢轨不平顺与等效声级的关系如下:
l′aeq,l=10lgf3=10lg10-0.01(3+l)=-0.1(3+l) (10)
式中:l∈[1,30],其变化范围来源于既有轨道不平顺的现场实测,当l>30cm时,取l=lmax=30cm。
对钢轨未打磨以及打磨后测量得到的两组数据进行相关和回归分析,得到钢轨打磨对噪声级的影响。仅当一辆单列打磨车打磨后,钢轨打磨因子才起作用。
l′aeq,b=10lgf′3=10lg10-0.002v =-0.002v (11)
　　5)l′aeq与列车使用时间的关系旧列车由于不良的机械状况产生了列车与轨道之间不确定的附加振动,使轨道 交通 噪声级变大。
l′aeq与列车使用时间的关系如下:
l′aeq,tr=10lgf4=10lgt0.08tr (12)
式中:ttr为列车的使用时间,ttr∈[1,15]。
6)l′aeq与轨道使用时间的关系
虽然速度因子f1与轨道类型有关,但是f1没有充分考虑线路状况对列车运行噪声级的影响。统计分析表明,在预测模型中引入线路状况影响因素是有必要的。线路状况因子与线路建成或重建后的时间有关。它与列车运行噪声级的关系为:
l′aeq,trl=10lgf5=10lgt0.62trl (13)
式中:ttrl为线路建成或重建后投入使用的时间,ttrl∈[1,30]。
7)l′aeq与列车编组的关系
l′aeq与列车编组的关系表示如下:
l′aeq,p=10lgf6=10lg(f6,1+f6,2+…+f6,n)1.7 (14)
式中:f6,i表示不同类型列车影响的子因素。f6,i对噪声的影响可表示为矢量{pi}与权重系数矩阵{vi}的乘积。
l′=10lg(f)1.7=17lg(p)·(v) (15)

5 噪声预测值与实际值的对比
长春轻轨1号线于2002年开始运营。该工程线路贯穿长春中西城区,地面线占90%,高架线占10%。列车是长春客车厂引进德国技术生产的新型电动客车。轻轨环线列车设计速度为30km/h,最大速度为80km/h,发车间隔10min,两节车厢编组。长春 工业 大学附近的测点位于距轨面高1.5m、离开轨道中心线7.5m处,测试时列车运行速度为30km/h。通过预测模型可预测测点处的等效噪声级。
由各影响因子预测轻轨车辆行驶的等效声级为:
由式(7)得l′aeq,m=10lgm1.24=9.649db,其中m=6。
由式(8)得l′aeq,v=10lgvx=26.588db(v=30km/h,通过类比取x=1.8)。
噪声测试时轻轨列车及线路投入运行不到2年并且轨道平坦,轨道不平顺和轨道坡度产生的影响非常小,可以忽略不计。
由式(12)得l′aeq,tr=10lgt0.08tr=0.24db(ttr=2a);
由式(13)得l′aeq,trl=10lgt0.62trl=1.866db(ttrl=2a);
由式(15)并通过类比选用以下 参考 模型:
l′aeq,i=17lg(pi)·(vi)=17lg(pm2)·(vm2)=

因此,测点处1h等效连续噪声级的预测值为:
l′aeq,1h=l′aeq,m+l′aeq,v+l′aeq,tr+　l′aeq,trl+l′aeq,p=53.87db
　　实测结果为:列车通过时测点1min的等效声级为64.36db(a),经式(4)换算得1h等效声级为54.36db(a)。
将预测结果与实测数据进行对比,误差为0.49db(a),小于1db(a),预测结果与测试数据吻合良好,说明本 方法 的可行性和有效性。

参考 文献
[1]mandulaj,salaiovab,koval’tionofnoisefromtrams[j].appliedacoustics,2002,63:373-389.
[2]雷晓燕,圣小珍.铁路交通噪声与振动[m].北京: 科学 出版社,2004:68-70.
[3]辜小安,刘扬.城市轨道交通列车运行噪声预测模式的确定[j].铁道劳动安全卫生与环保,2004,31(2):10.
[4]吕萍,沈万斌.长春轻轨交通噪声影响评价[j].交通环保,2005,26(2):28.

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